Struttura e funzioni delle cellule: procariote, eucariote e processi cellulari

Struttura delle cellule procariote

Una cellula procariote è priva di nucleo.

Il suo DNA è avvolto a spirale in una regione detta nucleoide. Il DNA è a diretto contatto con il citoplasma. Sono presenti i ribosomi, che assemblano amminoacidi per formare polipeptidi. Attorno alla membrana cellulare vi è una parete cellulare batterica, che protegge la cellula. Può esser presente anche un altro rivestimento viscoso e più esterno, la capsula. Alcuni batteri possiedono anche delle estroflessioni superficiali: i pili, che aiutano i batteri ad aderire meglio alle superfici, e i flagelli, che fanno muovere la cellula nel suo ambiente liquido.

Organizzazione delle cellule eucariote

Negli eucarioti le membrane suddividono il citoplasma in compartimenti, dando origine a strutture chiamate organelli. Nelle cellule eucariote gli organelli circondati da membrane sono il nucleo, il reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi, i mitocondri, i lisosomi e i perossisomi. Questi sono però organelli comuni ad entrambi le cellule. Infatti la cellula animale ha una coppia di centrioli, che la cellula vegetale non possiede. Viceversa, la C.V. ha alcune strutture che sono assenti nella C.A. Per esempio possiede una parete rigida e piuttosto spessa che contiene cellulosa. Altri organelli tipici ed esclusivi della cellula vegetale sono il cloroplasto, sito della fotosintesi clorofilliana, e il grande vacuolo centrale, il quale contiene enzimi che svolgono la digestione cellulare, espletando il ruolo dei lisosomi nella cellula animale. Contribuisce inoltre ad ingrossare la cellula. Le cellule eucariote contengono però anche strutture non suddivise da membrane: i centrioli, il flagello e il citoscheletro, tutte strutture che contengono filamenti proteici detti microtubuli. Entrambe le cellule sono però cosparse di ribosomi, organelli in cui avviene la sintesi proteica. Essi sono presenti anche a ridosso del reticolo endoplasmatico, e lo rendono granulare, rugoso.

Funzioni del nucleo e del reticolo

Il nucleo è il centro di controllo genetico della cellula eucariote. Il suo DNA è il materiale ereditario della cellula e dirige le attività cellulari. La maggior parte del DNA nucleare si trova abbinata a proteine e da questa unione si originano lunghissime fibre chiamate cromatina. Durante la riproduzione cellulare (meiosi, mitosi) la cromatina si spiralizza in strutture dette cromosomi. Attorno al nucleo vi è una membrana nucleare, ossia un doppio involucro attraversato da pori attraverso i quali le sostanze transitano nel nucleo. Vicino alla cromatina c’è una massa di fibre e granuli chiamata nucleolo (DNA cromatinico + RNA + proteine), che è il sito in cui vengono assemblati i ribosomi.

L’aspetto granulare è dovuto ai ribosomi attaccati alle membrane dell’organulo. Possiede due funzioni principali: 1) Offrire maggiore estensione di membrane; 2) Assemblare le proteine che sono secrete dalla cellula. Mano a mano che viene sintetizzato, il polipeptide passa nel reticolo. Corte catene di zuccheri vengono poi attaccate al polipeptide, dando origine ad una glicoproteina. Quando la molecola è pronta per essere espulsa dal reticolo, il reticolo endoplasmatico la racchiude in un piccolo sacchetto che viene chiamato vescicola di trasporto e questa vescicola si stacca dalla membrana del reticolo e giunge all’apparato del Golgi, fino alla sua definitiva liberazione all’esterno della cellula.

Comunica direttamente col R.E. rugoso. E’ una rete di tubuli interconnessi privi di ribosomi. Funzioni: 1) Sintesi dei lipidi; 2) Immagazzinamento di ioni calcio.

Ruolo dell'apparato del Golgi

Svolge diverse funzioni a stretto contatto col reticolo endoplasmatico. Immagazzinando molecole e portando a termine la loro elaborazione, ha praticamente il compito di accogliere e modificare le sostanze elaborate dal reticolo endoplasmatico. Il lato “di uscita” dell’apparato del Golgi serve da deposito.

Funzioni dei lisosomi

Sono prodotti dal reticolo endoplasmatico rugoso e dall’apparato del Golgi. Sono formati da enzimi digestivi chiusi in un sacchetto circondato da membrane. All’inizio il R.E. rugoso assembla fra loro enzimi e membrane; poi l’apparato del Golgi rifinisce gli enzimi e libera i lisosomi completati. La membrana lisosomiale racchiude uno specifico compartimento in cui gli enzimi idrolitici vengono immagazzinati e isolati dal resto del citoplasma. Possiedono diversi tipi di funzioni digestive. 1) Si fondono con i vacuoli alimentari mettendo in contatto le sostanze da digerire con gli enzimi idrolitici. 2) Partecipano alla distruzione dei batteri nocivi. 3) Sono i centri di riciclaggio degli organuli danneggiati. 4) Partecipano allo sviluppo embrionale.

I vacuoli alimentari mettono in contatto le sostanze da digerire con gli enzimi idrolitici. Il vacuolo centrale contribuisce all’aumento delle dimensioni della cellula vegetale in quanto assorbe l’acqua.

Fotosintesi e cloroplasti

Svolgono il processo di fotosintesi, cioè assorbono energia solare trasformandola in energia chimica contenuta nelle molecole di zucchero. Anche nei cloroplasti vi sono alcune membrane interne che lo suddividono in 3 compartimenti: 1) Spazio presente fra la membrana interna e quella esterna; 2) Spazio racchiuso dalla membrana interna, che contiene un liquido denso chiamato stroma e una rete di tubuli e dischi concavi formati da membrane. 3) Spazio interno dei tubuli e dei dischi. I dischi si dispongono in pile dette grani.

Respirazione cellulare e mitocondri

Sono organuli che trasformano energia da una forma all’altra. Svolgono il processo di respirazione cellulare, in cui l’energia chimica di alimenti come gli zuccheri è convertita nell’energia chimica di una molecola di ATP. E’ racchiuso da 2 membrane e possiede solo 2 compartimenti. Lo spazio fra le membrane forma un compartimento pieno di liquido, mentre il secondo compartimento è racchiuso dalla membrana interna e contiene un liquido detto matrice mitocondriale. Le pieghe, dette creste, aumentano l’area superficiale della membrana, favorendo la capacità dei mitocondri di produrre ATP.

Citoscheletro e sue componenti

Le cellule eucariote contengono una rete di fibre di sostegno chiamate nel loro complesso citoscheletro. Esso è costituito da 3 tipi di principali fibre:

MICROFILAMENTI: Rigidi bastoncini elicoidali composti da una proteina globulare chiamata actina. Ciascun microfilamento è costituito da due molecole di actina avvolte l’una sull’altra. Essi aiutano la cellula a cambiare aspetto e a muoversi utilizzando un movimento ameboide.

FILAMENTI INTERMEDI: Sono costituiti da proteine fibrose, servono principalmente da rinforzo per sopportare eventuali tensioni, ma anche per tenere “bloccati” alcuni organuli.

MICROTUBULI: Sono costituiti da una proteina globulare detta tubulina. Forniscono un ancoraggio agli organuli e li guidano durante i loro movimenti nel citoplasma. Dirigono il movimento dei cromosomi quando la cellula si divide e sono alla base del movimento di ciglia e flagelli.

Membrana cellulare e trasporto passivo

Viene comunemente descritta come un mosaico fluido in quanto è costituita da diverse molecole proteiche inserite nella struttura dei fosfolipidi. Le singole proteine e le molecole di fosfolipidi possono muoversi lateralmente, la membrana invece resta costantemente ancorata al proprio posto in quanto è collegata sia al citoscheletro sia alle fibre della matrice extracellulare che circonda la cellula. Sulla superficie esterna della membrana cellulare vi sono carboidrati legati covalentemente alle proteine e ai lipidi della membrana. Le proteine legate a molecole di zucchero sono chiamate glicoproteine, mentre i lipidi legati a molecole di zucchero prendono il nome di glicolipidi.

Osmosi e osmoregolazione

La diffusione è la tendenza della particelle a spostarsi spontaneamente da una zona dove più sono concentrate a una zona dove sono meno concentrate. La diffusione di una sostanza attraverso una membrana biologica è chiamata trasporto passivo perché non richiede lavoro da parte della cellula.

La diffusione delle molecole d’acqua attraverso una membrana dotata di permeabilità selettiva, è una caso particolare di trasporto passivo chiamato osmosi. Cosa accade se una membrana permeabile all’acqua ma non ai soluti separa due soluzioni con differente concentrazione di soluto? (La soluzione con concentrazione maggiore di soluto è chiamata ipertonica, quella con la concentrazione più bassa è chiamata ipotonica.) L’acqua attraversa la membrana finchè la concentrazione del soluto diventa uguale su entrambi i lati. Le molecole del soluto polare attraggono gruppi di molecole d’acqua, in modo che solo una parte delle molecole d’acqua è libera di diffondere attraverso la membrana. La soluzione ipotonica ha più molecole d’acqua libere rispetto alla soluzione ipertonica. Come risultato vi è una differenza nel livello dell’acqua delle due soluzioni. Soluzioni con una concentrazione identica di soluto sono chiamate isotoniche.

Per sopravvivere, se le cellule sono esposte ad un ambiente ipertonica o ipotonico, l’animale deve possedere un sistema che prevenga l’eccessivo assorbimento o l’eccessiva perdita d’acqua. Il controllo dell’equilibrio idrico è definito osmoregolazione.

Trasporto attivo e pompe ioniche

1) Uno dei due soluti si lega alla proteina di trasporto. 2) Dopo il legame, un gruppo fosfato è trasferito dall’ATP alla proteina. 3) L’energia che deriva da questo trasferimento (fosforilazione) modifica la forma della proteina, che rilascia la molecola di soluto dall’altra parte della membrana. 4) Quando la proteina rilascia il primo soluto, assume una forma e una posizione che consentono di legare il secondo soluto. 5) Il gruppo fosfato viene rilasciato e la proteina torna alla sua forma iniziale. (La pompa sodio-potassio (Na+ - K+) consente alle cellule nervose di trasmettere l’impulso nervoso.)

Processi di esocitosi ed endocitosi

ESOCITOSI: Processo utilizzato per trasportare fuori dal proprio citoplasma grandi quantità di materiale. 1) Una vescicola piena di macromolecole si muove verso la membrana cellulare. 2) Una volta raggiunta la membrana cellulare, la vescicola si fonde con essa e riversa fuori il proprio contenuto.

ENDOCITOSI: Processo nel quale la cellula ingloba macromolecole o altre particelle formando vescicole o vacuoli forniti di una propria membrana.

FAGOCITOSI: Processo nel quale un’ameba (per esempio) ingloba la sua preda tramite estroflessioni dette pseudopodi, la avvolge e la impacchetta all’interno di un vacuolo.

PINOCITOSI: Processo nel quale la cellula preleva goccioline liquide dall’ambiente circostante mediante piccole vescicole. Non è specifica.

Fasi della mitosi

La mitosi è un processo continuo in cui è possibile distinguere quattro fasi fondamentali: (interfase) profase, metafase, anafase e telofase. Gli spostamenti dei cromosomi dipendono dal fuso mitotico, una struttura a forma di pallone da rugby formata da microtubuli che guidano la separazione delle due serie di cromatidi. I microtubuli del fuso hanno origine da due centri di organizzazione dei microtubuli (COMT) che nelle cellule animali contengono i centrioli.

INTERFASE: È il periodo durante il quale la cellula sintetizza nuove molecole e nuovi organuli. Il citoplasma contiene due COMT, ciascuno con una coppia di centrioli. All’interno del nucleo i cromosomi sono già duplicati ma non è possibile distinguerli fra loro in quanto sono ancora sottoforma di cromatina non spiralizzata. Il nucleo contiene uno o più nucleoli, segno che la cellula sta sintetizzando proteine.

PROFASE : All’interno del nucleo i filamenti di cromatina si avvolgono e si spiralizzano gradualmente fino a formare cromosomi singoli. I nucleoli scompaiono. Ciascun cromosoma duplicato è formato da due cromatidi identici uniti in corrispondenza del centromero. Nel citoplasma inizia a formarsi il fuso mitotico a mano a mano che i microtubuli vengono assemblati a partire dai due COMT, i quali si allontanano l’uno dall’altro. Alla fine della profase la membrana nucleare si frammenta e scompare. Dopo la scomparsa della membrana nucleare i microtubuli che partono dai due COMT, ai poli del fuso, possono raggiungere i cromosomi. In corrispondenza dei centromeri, ciascun cromatidio possiede una struttura proteica detta cinetocore. Alcuni dei microtubuli del fuso si agganciano ai cinetocori, determinando uno spostamento dei cromosomi. Altri entrano in contatto con i microtubuli provenienti dal polo opposto. I cromosomi si spostano così verso il centro della cellula.

METAFASE: All’inizio della metafase il fuso mitotico è ormai completo, con i due poli alle estremità opposte della cellula. I cromosomi raggiungono dunque il piano equatoriale della cellula. I centromeri di tutti i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale. I cinetocori dei due cromatidi di ciascun cromosoma sono rivolti verso i poli opposti.

ANAFASE: L’anafase ha inizio quando i due centromeri di ciascun cromosoma si staccano, separando così i due cromatidi. I cromatidi diventano così dei cromosomi indipendenti. I microtubuli del fuso attaccati al cinetocore si accorciano, mentre quelli non attaccati ai cromosomi si allungano. La cellula si allunga. L’anafase termina quando le due serie di cromosomi hanno raggiunto i due poli della cellula.

TELOFASE: E’ il processo inverso alla profase. L’allungamento della cellula prosegue, compaiono nuovi nuclei. I filamenti di cromatina dei cromosomi si despiralizzano e riappaiono i nucleoli. Alla fine della telofase il fuso mitotico scompare.

CITODIERESI: E’ la divisione del citoplasma. Avviene contemporaneamente alla telofase.

Meiosi e sue fasi

La meiosi, il processo che produce gameti aploidi, è simile alla mitosi ma a differenza di questa comporta due divisioni consecutive chiamate meiosi I e meiosi II; da queste divisioni hanno origine quattro cellule e non due. Poiché le due divisioni della meiosi sono precedute da un’unica duplicazione dei cromosomi, ciascuna delle quattro cellule figlie possiede solo la metà dei cromosomi della cellula madre. Il dimezzamento vero e proprio avviene durante la prima divisione.

INTERFASE: Durante l’interfase avviene la duplicazione dei cromosomi. Ogni cromosoma alla fine risulta formato da due cromatidi identici uniti per mezzo dei centromeri. Si duplicano anche i COMT.

PROFASE I: All’inizio di questa fase i filamenti di cromatina si spiralizzano fino a formare i cromosomi, le cui estremità si attaccano all’interno della membrana nucleare. Quindi, con un processo detto sinapsi i cromosomi si appaiano fra loro, formando delle strutture dette tetradi. Di conseguenza ogni tetrade è formata da 4 cromatidi. Durante la sinapsi, i cromatidi dei cromosomi omologhi si scambiano tra loro alcuni segmenti mediante un processo chiamato crossing-over. In seguito i cromosomi si condensano e si staccano dalla membrana nucleare, mentre i nucleoli scompaiono. I COMT si allontanano uno dall’altro e tra essi inizia a formarsi il fuso. La membrana si frammenta e le tetradi catturate dai microtubuli si spostano verso il centro della cellula.

METAFASE I: Durante questa fase, le tetradi si allineano sul piano equatoriale della cellula, a metà strada fra i due poli del fuso. Ciascun cromosoma è spesso e condensato, costituito da due cromatidi uniti fra loro x mezzo dei centromeri. I cromosomi omologhi di ciascuna tetrade si spostano ciascuno verso un polo della cellula.

ANAFASE I: Questa fase è caratterizzata dalla migrazione dei cromosomi verso i due poli opposti della cellula. I cromatidi restano uniti in corrispondenza dei loro centromeri. Si dividono solo le tetradi.

TELOFASE E CITODIERESI: Durante la telofase I i cromosomi raggiungono i poli della cellula. Quando i cromosomi hanno ultimato il loro percorso, a ciascuno dei due poli si trova un assetto di cromosomi aploide. Contemporaneamente avviene anche la citodieresi e si formano due cellule figlie aploidi.

MEIOSI II: La meiosi II è simile alla mitosi, con la differenza sostanziale che ha inizio da una cellula aploide. Durante la PROFASE II si forma un fuso lungo il quale i cromosomi si spostano verso il centro della cellula. Durante la METAFASE II i cromosomi si allineano sul piano equatoriale come nella mitosi. Nell’ ANAFASE II i centromeri dei cromatidi si separano e questi ultimi, divenuti cromosomi indipendenti, migrano ai poli opposti. Nella TELOFASE II si formano i nuclei delle nuove cellule aploidi e contemporaneamente avviene la CITODIERESI II.